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Die Multi-omics-Mechanismen

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für die Förderung der allgemeinen Gesundheit und die Prävention von Krankheiten durch regelmäßige Bewegung

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Hintergrund

Im Mai dieses Jahres veröffentlichte das Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) eine wichtige Studie, in der die Multi-omics-Mechanismen hinter der Förderung der allgemeinen Gesundheit und der Krankheitsvorbeugung durch regelmäßige Bewegung untersucht wurden. In dieser Studie führten sie ein achtwöchiges Ausdauertraining in einem Mausmodell durch und identifizierten Tausende gemeinsamer und gewebespezifischer molekularer Veränderungen in Vollblut und Plasma. Die Forschung deckte auch geschlechtsspezifische Unterschiede in verschiedenen Geweben auf. Durch Multi-omics- und Multigewebe-Analysen im Zeitverlauf lieferte die Studie umfassende biologische Erkenntnisse über die adaptiven Reaktionen auf Ausdauertraining, einschließlich einer umfassenden Regulierung des Immunsystems, des Stoffwechsels, der Stressreaktion und der mitochondrialen Signalwege. Viele dieser Veränderungen stehen in engem Zusammenhang mit der menschlichen Gesundheit, einschließlich nichtalkoholischer Fettlebererkrankungen, entzündlicher Darmerkrankungen, kardiovaskulärer Gesundheit sowie Gewebeschäden und Regeneration. Die in dieser Studie bereitgestellten Daten und Analysen sind eine wertvolle Ressource für das Verständnis und die Erforschung der molekularen Auswirkungen des Ausdauertrainings auf mehrere Gewebe.

Die zeitliche Dynamik der Multi-omics-Reaktion auf Ausdauertraining bezieht sich auf die Veränderungen verschiedener Biomoleküle und ihrer Funktionen im Laufe der Zeit unter dem Einfluss anhaltender und regelmäßiger körperlicher Aktivität zur Verbesserung der kardiovaskulären, respiratorischen und muskulären Ausdauer. Dieses Forschungsgebiet ist sehr interdisziplinär und umfasst Genomik (Genexpression), Transkriptomik (RNA-Spiegel), Proteomik (Proteingehalte), Metabolomik (Metabolitenspiegel) und andere Omics-Bereiche, die zusammen einen umfassenden Überblick über die physiologische Anpassung auf molekularer Ebene bieten.

1. Genomik und Transkriptomik:

Unter dem Einfluss von Ausdauertraining verändern sich Genexpressionsprofile, wobei bestimmte Gene hochreguliert werden (erhöhte Expression), während andere herunterreguliert werden (verringerte Expression). Diese Veränderungen können sich auf Signalwege auswirken, die mit dem Energiestoffwechsel, Entzündungen, der Muskelreparatur und dem Wachstum zusammenhängen.

Der Zeitpunkt und die Dauer dieser Veränderungen können variieren. Einige Auswirkungen treten sofort auf, während andere sich langfristig entwickeln, da sich der Körper allmählich an den Trainingsreiz anpasst.

2. Proteomik:

Veränderungen des Proteingehalts in Muskeln und anderen Geweben können sowohl kurzfristige als auch langfristige Anpassungen widerspiegeln. Bei trainierten Personen wird beispielsweise häufig ein Anstieg von Enzymen beobachtet, die mit dem aeroben Stoffwechsel zusammenhängen, wie z. B. Citrat-Synthase oder Cytochrom-c-Oxidase.

Proteine, die mit Stressreaktionen, dem antioxidativen Schutz und der Muskelkontraktion zusammenhängen, können bei Ausdauertraining ebenfalls signifikante Veränderungen erfahren.

3. Metabolomik:

Ausdauertraining führt zu Veränderungen in den Stoffwechselwegen, die sich auf die Konzentrationen verschiedener Metaboliten auswirken. Dazu gehören Veränderungen im Aminosäure-, Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsel, die die Anpassung des Körpers an einen erhöhten Energiebedarf und eine effizientere Brennstoffverwertung widerspiegeln.

Durch das Training wird die metabolische Flexibilität (die Fähigkeit, zwischen verschiedenen Brennstoffquellen zu wechseln, z. B. von Kohlenhydraten auf Fette) oft verbessert.

4. Epigenetik:

Epigenetische Veränderungen, wie DNA-Methylierung und Histon-Modifikationen, können durch Ausdauertraining beeinflusst werden. Diese Veränderungen können die Genexpression verändern, ohne die zugrunde liegende DNA-Sequenz zu verändern, was möglicherweise zu lang anhaltenden Anpassungen führt.

5. Mikrobiom:

Es besteht ein wachsendes Interesse daran, wie Ausdauersport das Darmmikrobiom beeinflusst und zu dessen Nutzen beiträgt. Veränderungen in der Zusammensetzung und Funktion der Darmmikrobiota wurden mit Verbesserungen der metabolischen Gesundheit und Leistung in Verbindung gebracht.

6. Zeitliche Dynamik von Multi-Omik-Reaktionen auf Ausdauertraining:

Akute Reaktion: Unmittelbar nach dem Training kommt es zu einem vorübergehenden Anstieg der Marker für Muskelschäden, Entzündungen und oxidativen Stress sowie zu Veränderungen der Substratverwertung.

Kurzfristige Anpassung: Innerhalb weniger Tage bis Wochen, wenn das Training fortgesetzt wird, beginnt der Körper, sich anzupassen. Dazu gehören eine verbesserte mitochondriale Biogenese, eine verbesserte Insulinempfindlichkeit und Anpassungen der Genexpression im Zusammenhang mit dem Energiestoffwechsel.

Langfristige Anpassung: Nach Monaten bis Jahren anhaltenden Trainings kommt es zu tief greifenden Veränderungen, einschließlich struktureller und funktioneller Veränderungen des Herzens und der Skelettmuskulatur, sowie zu einer Verbesserung der allgemeinen Stoffwechselgesundheit.

Zusammenfassung

Das Verständnis dieser zeitlichen Dynamik ist entscheidend für die Optimierung von Trainingsplänen, die Vermeidung von Übertraining und die Entwicklung personalisierter Ansätze zur Verbesserung der sportlichen Leistung und Gesundheit. Die Forschung in diesem Bereich umfasst häufig Längsschnittstudien, bei denen die multiautomatischen Profile der Teilnehmer zu bestimmten Zeitpunkten vor, während und nach den Trainingsperioden analysiert werden, um wichtige Zeitpunkte und Anpassungsmuster zu ermitteln.

Experimentelle Methoden:

1. Tierische Adaptation:

In dem Versuch wurden männliche und weibliche Fischer 344 Ratten vor Beginn des Ausdauertrainings mindestens vier Wochen lang an die Umwelt angepasst, um den Stress zu reduzieren. Die Ratten wurden an einen umgekehrten Hell-Dunkel-Zyklus gewöhnt, wobei das Licht um 9:00 Uhr morgens ausgeschaltet und um 21:00 Uhr abends eingeschaltet wurde, so dass das Laufbandtraining während der normalen aktiven Phase der Ratten stattfand. Die Ratten wurden zu zweit pro Käfig in belüfteten Gestellen mit Einstreu aus geschredderter weißer Kiefer untergebracht.

2. Ernährung und Umweltbedingungen:

Die Tiere durften frei fressen und erhielten folgende Kalorienzusammensetzung: 21,196 % Protein, 14,774 % Fett (Ether-Extrakt) und 64,030 % Kohlenhydrate. Der Tierraum wurde täglich überwacht, wobei die Temperatur zwischen 20-25°C (68-77°F) und die relative Luftfeuchtigkeit zwischen 25-55% gehalten wurde. Während des Dunkelheitszyklus der Ratten wurde rotes Licht verwendet, um eine ausreichende Beleuchtung für die routinemäßige Pflege, Handhabung und das Training der Tiere zu gewährleisten.

3. Bewegung auf dem Laufband:

Das Laufbandtraining wurde auf einem Fünf-Kanal-Laufband für Ratten durchgeführt. Der gesamte Umgang mit den Tieren und die Übung fanden während der aktiven Dunkelphase der Ratten statt. Nach der Ankunft wurden die Ratten mindestens 10 Tage lang an den umgekehrten Hell-Dunkel-Zyklus gewöhnt. Nach einer anfänglichen Eingewöhnungsphase durchliefen die Ratten ein 12-tägiges Gewöhnungsprotokoll, um sich an das Laufband zu gewöhnen und unkooperative Ratten zu identifizieren. Ratten, die nicht in der Lage waren, 5 Minuten lang ununterbrochen mit einer Geschwindigkeit von 10 m/min und einer Steigung von 0° zu laufen, wurden als unkooperativ eingestuft und aus der Studie ausgeschlossen. Ratten, die die 12-tägige Eingewöhnungsphase erfolgreich abgeschlossen hatten, wurden in eine Ratten-Datenbank eingegeben und nach dem Zufallsprinzip einer Kontroll- oder Trainingsgruppe zugeordnet, um sicherzustellen, dass die Gruppen das gleiche Durchschnittsgewicht aufwiesen.

4. Zufällige Zuteilung der Ratten nach Alter und Geschlecht

Die 8 Wochen alten Ratten wurden auf der Grundlage von Geschlecht und Körpergewichtsquartilen zufällig der Kontroll- oder Trainingsgruppe zugewiesen. Die Ratten im Alter von 4 Wochen wurden ohne Randomisierung direkt der Kontrollgruppe zugewiesen. Ratten im Alter von 1 und 2 Wochen wurden auf der Grundlage von Geschlecht und Körpergewichtsquartilen zufällig der 1-wöchigen oder 2-wöchigen Trainingsgruppe zugewiesen.

5. Trainingsprotokoll:

Das Ausdauertraining begann im Alter von 6 Monaten für männliche und weibliche Ratten und dauerte 1, 2, 4 oder 8 Wochen. In diesem Alter hatte die magere Muskelmasse des Stammes ein Plateau erreicht. Die Ratten trainierten 5 Tage pro Woche auf einem Laufband und folgten einem progressiven Trainingsprotokoll, das auf etwa 70 % der maximalen Sauerstoffaufnahme (VO2max) der Ratten abzielte. Die anfängliche Geschwindigkeit des Laufbands basierte auf VO2max-Messungen, die nach der Eingewöhnungsphase und vor dem Training durchgeführt wurden. Das Training fand während der Dunkelphase der Ratten an 5 aufeinanderfolgenden Tagen pro Woche statt und begann nicht vor 10:00 Uhr morgens und endete nicht vor 17:00 Uhr abends.

6. Trainingsintensivierung:

Das Trainingsprotokoll begann mit einer Steigung von 5°, einer Geschwindigkeit von 13 m/min bei den Männchen und 16 m/min bei den Weibchen und einer Dauer von 20 Minuten. Wie in Tabelle 1 dargestellt, erhöhte sich die Trainingsdauer jeden Tag um eine Minute bis zum Tag 31 (Woche 7), als die Dauer 50 Minuten erreichte. Die Steigung des Laufbands begann bei 5° und erhöhte sich bis zur 3. Woche auf 10° und blieb für den Rest des Trainingszeitraums bei 10°. Die Geschwindigkeit auf dem Laufband wurde zu Beginn der Wochen 2, 4, 5, 6 und 7 erhöht. Ab Woche 7 wurden Geschwindigkeit, Steigung und Dauer festgelegt und für die letzten 10 Tage beibehalten, um ein gleichmäßiges Training zu gewährleisten. Wenn eine Ratte nicht mindestens 4 Trainingstage pro Woche absolvierte, wurde sie aus der Studie genommen und eingeschläfert.

7. Kontrollgruppe:

Die Ratten der Kontrollgruppe wurden an 5 Tagen pro Woche 15 Minuten pro Tag auf ein stationäres Laufband (0 m/min) gesetzt, nach einem ähnlichen Zeitplan wie die 8-Wochen-Trainingsgruppe. Die Kontrolltiere waren altersmäßig mit der 8-Wochen-Trainingsgruppe identisch. Es ist wichtig zu beachten, dass Ratten im Alter von 6 bis 9 Monaten ihre Reife erreicht hatten und vor dem Alter von 12 Monaten nur minimale physiologische Unterschiede aufwiesen.

Analyse der Körperzusammensetzung

Die Körperzusammensetzung wurde bei allen Ratten 13 Tage vor Beginn des Trainings mit einem Body Composition Analyzer gemessen. Dieses Gerät wurde zur Messung von Magergewebe, Körperfett und Körperflüssigkeit bei wachen, lebenden Tieren verwendet. Bei den Ratten der 4- und 8-wöchigen Trainingsgruppen wurde die Körperzusammensetzung 5 Tage vor der Gewebeentnahme erneut gemessen.

VO2max-Analyse

Die VO2max wurde für alle Ratten vor dem Training und für die 4-Wochen- und 8-Wochen-Trainingsgruppen am Ende der jeweiligen Trainingsperiode bestimmt. Die Ratten wurden zwei Tage lang an das Laufband gewöhnt, bevor sie auf einem einspurigen geschlossenen Laufband getestet wurden. Am Testtag wurden die Ratten auf das Laufband gesetzt, und sobald sich ihr Sauerstoffverbrauch stabilisiert hatte, wurde mit dem Test begonnen. Der Test begann mit einer 15-minütigen Aufwärmphase bei 9 m/min und einer Steigung von 0°. Nach dem Aufwärmen wurde die Steigung auf 10° erhöht und die Geschwindigkeit des Laufbands alle 2 Minuten um 1,8 m/min gesteigert.

Schocks wurden nur dann eingesetzt, wenn dies notwendig war, und auch nur dann, wenn die Ratte aufhörte zu laufen und sich in den Schockbereich setzte. Der Test wurde beendet, wenn die Ratte dreimal hintereinander im Schockbereich saß und nicht auf den erhöhten Schock reagierte. Nach dem Test wurden die Ratten vom Laufband genommen, und am Schwanz wurde Blut entnommen, um das Laktat zu messen.

Zu den Kriterien für das Erreichen der VO2max gehörten: trotz zunehmender Arbeitsbelastung ein Plateau der Sauerstoffaufnahme, ein Atemaustauschverhältnis von über 1,05 und Laktatwerte im Blut von ≥6 mM.

Tow-Int Tech Animal Metabolic Treadmill

Das Tow-Int Tech Animal Metabolic Treadmill ist speziell für die Messung des Atmungsstoffwechsels bei Tieren konzipiert. Das metabolische Laufband verfügt über ein geschlossenes Design und kann den Sauerstoffverbrauch, die VO2max, die CO2-Produktion und den Atmungsstoffwechsel während der Bewegung von Tieren überwachen. Dieses Laufband ist ein unverzichtbares Versuchsgerät für Studien zur körperlichen Ausdauer von Tieren, zu trainingsinduzierten Verletzungen, zur Trainingsernährung, zu Arzneimitteln sowie zu physiologischen und pathologischen Reaktionen auf Bewegung.

Derzeit führt Tow-Int Tech ein Versuchsprogramm für das Tier-Stoffwechsel-Laufband durch. Für weitere Details kontaktieren Sie uns bitte unter den folgenden Kontaktdaten.